M.A.J. Wasono and Y.A. Kholishoh

ARTIKEL RISET

Penentuan Parameter Difusi Gas Buah Tomatdengan Spektrometer Fotoakustik Laser CO2

Menggunakan Pelacak Gas SF6

M.A.J. Wasono* and Y.A. Kholishoh

Ringkasan

Telah dilakukan monitoring beberapa parameter difusi (waktu relaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi)gas SF6 di dalam buah tomat (Lycopersicon esculentum) dengan menggunakan metode spektroskopi foto-akustik(SFA) laser CO2. Gas SF6 menyerap paling kuat pada garis 10P16 dan etilen pada garis laser 10P14 denganfrekuensi resonansi sebesar 1650±5 Hz. Batas deteksi terendah (BDT) yang dihasilkan oleh SFA untuk gas SF6

diperoleh 2, 6±0, 4 ppt dan untuk etilen sebesar 0, 32±0, 03 ppb. Monitoring difusi gas SF6 pada buah tomat danpengukuran emisi etilen dalam kurun waktu 15 hari menghasilkan pola karakteristik waktu relaksasi, koefisienresistansi dan koefisen difusi terhadap emisi etilen. Dalam proses pematangan, waktu relaksasi dan koefisienresistansi buah tomat mengalami penurunan masing-masing dari 2, 85± 0, 07 menit ke 0, 86± 0, 01 menit dandari (5, 95 ± 0, 27) × 102 detik cm−1 ke (1, 53 ± 0, 06) × 102 detik cm−1.Sedang koefisien difusi mengalamaikenaikan dari (1, 73 ± 0, 01) × 10−2 cm2 detik−1 ke (6, 70 ± 0, 03) × 10−2 cm2 detik−1. Dari hasil tersebutdapat direkomendasikan kepada pengelola pengendalian pematangan buah tomat untuk mendapatkan optimasiparameter difusi sehingga diperoleh pematangan sesuai dengan kebutuhan pasar.

Kata Kunci : Spektroskopi fotoakustik, waktu relaksasi, koefisien resistensi & difusi, buah tomat.

Abstract

Monitoring of diffusion parameters (relaxation time, resistance coefficient and diffusion coefficient) has beencarried out by SF6 gas in tomato fruit (Lycopersicon esculentum) using CO2 laser photoacoustic spectroscopy(PAS) method. SF6 gas absorbs the strongest on the 10P16 and ethylene lines on the 10P14 laser line with aresonant frequency of 1650 ± 5 Hz. The lowest limit detection (LLD) produced by PAS for SF6 gas was 2.6 ±0.4 ppt and for ethylene was 0.32±0, 0.03 ppb. Monitoring of diffusion of SF6 gas in tomatoes and measurementof ethylene emissions within 15 days resulted in a characteristic pattern of relaxation time, resistance coefficientand diffusion coefficient on ethylene emissions. In the ripening process, the relaxation time and the tomatoresistance coefficient decreased respectively from 2.85 ± 0.07 minutes to 0.86 ± 0.01 minutes and from(5.95 ± 0.27) × 102 seconds cm−1 to (1, 53 ± 0, 06) × 102 seconds cm−1. While the diffusion coefficient hasincreased from (1.73± 0.01)× 10−2 cm2 seconds−1 to (6.70± 0.03)× 10−2 cm2 seconds−1. From the results,it can be recommended to the manager of control of ripening of tomatoes to get optimization of diffusionparameters so that maturation can be obtained according to market needs.

Keywords: Photoacoustic spectroscopy; relaxation time; resistance & diffution coeficient; tomatoes fruit.

PENDAHULUANBuah tomat (Lycopersicon esculentum) merupakanjenis buah yang diproduksi dalam skala besar dan

*Correspondence: m alijoko@ugm.ac.id

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Gadjah Mada, Sekip Utara Bulaksumur, Sinduadi, Mlati, Kota

Yogyakarta, Daerah Istimewa Yogyakarta, Indonesia

Full list of author information is available at the end of the article†Equal contributor

banyak dikonsumsi dalam kehidupan sehari-hari.

Buah paska petik masih mengalami respirasi

(butuh O2) dan mengeluarkan CO2 (Wasono

dkk., 2002)[14]. Karakteristik transport gas pada

buah belum terungkap secara detail a.l. disebabkan

oleh keterbatasan detektor gas kelumit. Proses

metabolisme ditentukan oleh sifat transport gas pada

buah (Groot, 2002)[5].

M.A.J. Wasono and Y.A. Kholishoh Page 2 of 24

Deteksi gas kelumit selama ini menggunakankromatografi gas yang mempunyai kekurangan dalamhal sensitivitas, proses deteksi perlu waktu lamabisa order hari. Metode spektroskopi fotoakustikdengan sumber radiasi laser infra merah menawarkankelebihan dalam hal sensitivitas yang tinggi hinggaorde ppb (part per billion) dan dapat mendeteksiuntuk sistem mengalir (flowing) serta waktu tanggapcepat berorder menit. Spektrometer fotoakustikmenggunakan sumber radiasi laser CO2 yang memilikijangkau panjang gelombang infrared 9 − 11 µm danjarak garis 0, 5 − 2 cm−1 serta mempunyai kelebihanmampu membangkitkan daya laser 1−100 Watt hanyadengan lucutan gas relatif kecil (Harren dkk., 2000).

Pada penelitian ini digunakan gas SF6 sebagaipelacak (tracer) untuk menentukan koefisien difusigas oksigen dan karbondioksida yang terjadi padaproses respirasi buah tomat. Gas SF6 secara fisikabersifat lembam dan inert, tidak dapat terbakar danmempunyai serapan yang kuat pada garis 10P16 laserCO2 dengan koefisien serapan 564 atm−1 cm−1.Secara biologis gas tsb sensitif untuk dideteksi sertasecara kimiawi bersifat non-toksik dan memilikikestabilan kimia yang tinggi (Groot dkk., 2005; Pereiradkk., 2009; Sugiarto dan Wasono, 2010)[9][12].

Disfusi Gas

Menurut hukum Fick pertama bahwa rapat aliran(J) molekul yang berdifusi berbanding langsungdengan gradien konsentrasi (misal ke arah x) dengankonstanta kesebandingan yang disebut koefisien difusi(D) (Banks, 1985)[2].

J = −D∂C∂x

(1)

∂C∂x merupakan gradien konsentrasi, yaitu perubahankonsentrasi per satuan panjang. Tanda negatifmenunjukkan arah difusi searah dengan pengurangankonsentrasi. Sedang laju pertukaran gas atau lajudifusi

(dSdt

)sebanding dengan rapat aliran (J) dan

luas penampang (A) yang dilalui gas yang dapatdirumuskan

ds

dt= JA = −DA∂C

∂x(2)

Gradien konsentrasi tsb dapat didekati denganmengambil ∆C merupakan selisih konsentrasi di luarbahan (Ct

e) dan konsentrasi gas di dalam bahan(Ct

i ) yang masing-masing disebut sebagai konsentrasieksternal dan internal.

Waktu tukar gas

Konsentrasi internal gas pelacak di dalam buahmengalami peluruhan secara eksponensial denganwaktu relaksasi gas τf (Groot, 2002)[5]:

Cf = C0e−tτf (3)

dengan C0 = Cf (t = 0). Adapun waktu tukar gas atauwaktu relaksasi merupakan waktu yang dibutuhkanbuah sehingga konsentrasi gas pelacak internal Cf

tinggal sebesar 1/e dari konsentrasi gas pelacak awalC0. Nilai waktu tukar gas diperoleh dari persamaan

lnCf

C0=

−tτf

(4)

Koefisien resistansi pada buah

Koefisien difusi pada buah menunjukkan lajupertukaran gas difusi. Koefisien difusiD (cm2 detik−1)dalam hubungannya dengan resistansi bahan (ρs)adalah:

D =∆x

ρs(5)

maka persamaan (2.2) dapat ditulis

dS

dt= −A∆x

ρs

∂C

∂x= −A∂C

ρs(6)

Persamaan diferensial difusi gas melalui kulit darisuatu volume tertutup adalah (Groot,2002)[5] :

ds

dt= −Af

Cf (t) − Ce(t)

ρs(7)

dengan dsdt adalah perubahan jumlah gas pelacak

internal terhadap dt (m3/s), Ce(t) adalah konsentrasigas pelacak eksternal, Sf adalah lus total permukaankulit buah dan ρs adalah resistansi kulit terhadapdifusi. Pada pengukuran yang dilakukan tidakada nilai konsentrasi gas pelacak eksternal karenapenyentoran gas pelacak yang bagus di dalam kolektoroleh udara tekan, maka Ce(t) = 0 , sehingga (Groot,2002)[5]

dS

dt= −Af

Cf (t)

ρs(8)

Jumlah gas pelacak di dalam buah s terhubung dengankonsentrasi di dalam buah Cf sebagai:

s = θfVfCf (9)

M.A.J. Wasono and Y.A. Kholishoh Page 3 of 24

dengan Vf adalah volume buah dan θf adalah fraksigas internal yang didapat dari

θf =Vmeas −m/d

Vmeas(10)

dengan Vmeas adalah volume terukur buah, mmassa buah dan d adalah kerapatan spesifik dagingbuah (Groot, 2002)[5]. Dengan demikian konsentrasieksternal sebagai fungsi waktu diperoleh sebagaiberikut,

Cf = C0e−Af tθfVf ρs (11)

dengan C0 adalah konsentrasi awal dari buah.Resistansi kulit terhubung dengan waktu tukar gasdapat ditentukan (Groot,2002)[5]

ρs =AfτfθfVf

(12)

METODE PENELITIANBahan-bahan yang digunakan dalam penelitian iniadalah sebagai berikut. Gas CO2, He dan N2 dengankonsentrasi 99% sebagai medium aktif laser. Gas N2

untuk membersihkan sel fotoakustik dan menentukansinyal latar. Gas SF6 (Sulfur Heksafluorida) yangdigunakan sebagai pelacak. KOH dan CaCl2 yangmasing-masing untuk menyerap CO2 dan H2O.Sampel buah tomat hijau yang diselidiki.

Adapun rangkaian alat penelitian pendeteksian gasdifusi SF6 pada buah tomat menggunakan SFA laserCO2 intrakavitas ditunjukkan pada Gambar 1.

Proses Deteksi

Sampel buah tomat sebelumnya disimpan dalam kuvetvolume 500ml yang tertutup kemudian dialiri gasSF6 standar 100 ppm dan dibiarkan selama 4-5jam. Sesudah proses pemuatan tsb, sampel buahtomat dipindah ke kuvet lain volume 500ml yangmenuju sel FA. Gas SF6 yang keluar dari buah(discharge) dimasukkan ke dalam sel FA dengan caramenyentorkan udara tekan dan dikenai radiasi laserCO2 termodulasi. Sinyal fotoakustik yang timbul didalam sel FA ditangkap oleh mikrofon diperkuat olehlock-in dan diubah menjadi data digital oleh ADC(analog to digital converter), kemudian dicatat dandirekam oleh komputer.

Pengukuran konsentrasi gas SF6 pada buah tomatutuh dilakukan melalui sebuah kuvet berkolektorseperti dapat dilihat pada Gambar 2. Kolektordisentor dengan udara tekan dengan tekanan 50 −60 mb agar gas SF6 hasil emisi buah tomat dapatmengalir menuju sistem deteksi fotoakustik. Kolektor

ditempatkan pada diameter terbesar buah tomatmenggunakan wax agar tidak ada udara keluar masuk.Emisi SF6 dari kolektor diukur selama 25 hingga 45menit.

Diketahui bahwa SF6 juga mempunyai serapan padagaris 10P14 dan etilen juga mempunyai serapan padagaris 10P16, berlak persamaan (Wasono, 2002)[14]

(S

I

)10P16

= FR(α10P16etilenCetilen

+ α10P16SF6CSF6) + B10P16 (13)

(S

I

)10P14

= FR(α10P14etilenCetilen

+ α10P14SF6CSF6) + B10P14 (14)

dengan(SI

)10P16

merupakan sinyal ternormalisasidari campuran kedua gas tersebut pada garis10P16,

(SI

)10P14

sinyal ternormalisasi campurankedua gas tersebut pada garis 10P14, F konstantasel yang didapatkan dari eksperimen (F teori3, 7 × 103 Pacm/W ), R konstanta mikrofon yangdigunakan (R = 11mV/Pa), dan α koefisien serapanmasing-masing gas untuk tiap-tiap garis laser.

HASIL DAN PEMBAHASANPada hasil pemayaran untuk SF6 standar diperolehsinyal ternormalisasi pada garis 10P16 sebesar11, 9 mV/W dan pada garis 10P14 terbaca sinyalternormalisasi 4, 8 mV/W . Hal ini menunjukkanbahwa di garis 10P14 juga menyerap SF6. Sementarapada hasil pemayaran untuk etilen standar diperolehsinyal ternormalisasi pada garis 10P14 sebesar0, 278 V/W dan pada garis 10P16 terbaca sinyalternormalisasi 0, 028 V/W . Hal ini juga menunjukkanbahwa di garis 10P16 juga menyerap etilen.

Difusi Gas SF6 pada Buah Tomat

Waktu relaksasi merupakan waktu yang diperlukanbuah tomat untuk mengosongkan gas SF6 yang telahberdifusi ke dalam buah tomat. Selanjutnya wakturelaksasi ini digunakan untuk menentukan koefisienresistansi kulit buah tomat. Gambar 3. menunjukkankarakteristik waktu relaksasi terhadap produksi etilenbuah tomat. Diperoleh hasil bahwa selama prosespematangan, waktu tukar gas mengalami penurunandari 2, 85 ± 0, 07 menit ke 0, 86 ± 0, 01 menit.Begitu pula dengan karakteristik koefisien resistansiterhadap produksi etilen yang ditunjukkan padaGambar 4. mengalami penurunan dari (5, 95±0, 27)×102 detik cm6−1 ke (1, 53 ± 0, 06) × 102 detik cm−1.

M.A.J. Wasono and Y.A. Kholishoh Page 4 of 24

Hal ini dikarenakan koefisien resistansi berbandinglangsung dengan waktu relaksasi, dimana dalampenelitian ini buah tomat yang diteliti menggunakanbuah yang sama, sehingga tidak ada perubahannilai besaran volume maupun luas permukaan. Darikarakteristik tersebut menunjukkan bahwa kulit buahtomat mengalami penurunan resistansi seiring prosespematangan.

Jika dibandingkan antara penurunan waktu relaksasidan koefisien resistansi, penurunan koefisien resistansilebih besar. Hal ini dikarenakan buah mengalamipenurunan massa, sehingga fraksi gas antar selmeningkat seiring pematangan. Selanjutnya koefisienresistansi menurun dikarenakan berbanding terbalikdengan fraksi gas antar sel. Sementara penurunanmassa secara kimiawi disebabkan prosesrespirasi yangmenggunakan substrat-substrat (cadangan makanan)pada buah selama respirasi (Anna dkk., 2012).

Gambar 5 menunjukkan karakteristik koefisiendifusi terhadap produksi etilen. Jika koefisienresistansi mengalami penurunan, maka koefisiendifusi mengalami kenaikan yaitu dari (1, 73 ± 0, 01) ×10−2 cm2detik−1 ke (6, 70± 0, 03)× 10−2 cm2detik−1.Koefisien difusi menunjukkan laju pertukarangas, sehingga jika resistansi kulit buah menurun,maka laju pertukaran gas semakin cepat. Selamapematangan akan terjadi peningkatanlaju respirasi(Murtadha dkk., 2012). Respirasipada buahmengalami peningkatan CO2 padasaat pematangandan kemudian pada saatkemasakan menjelangsempurnadan telah lewatnya kemasakan, makaaktivitasrespirasi akan semakin menurun (Murtadha,2012). Jika oksigen dalam buah telah habis makaselanjutnya akan terjadi pembusukan/fermentasi(Groot, 2002)[5]. Pada penelitian ini pengambilandata tidak mencapai masa masak yang sempurna,sehingga tidak terlihat pola penurunan laju respirasi.

Gambar 6 adalah aktivitas pematangan buahtomat berdasarkan perubahan warna kulit buah.Pada penelitian ini, pola pematangan buahdiamati pada produksi etilen dan warna kulitbuah.Produksi etilen pada buah menunjukkanpola buah klimakterik yaitu kecenderungan emisietilen naik kemudian mencapaipuncak dan turun(Wasono dkk, 2002)[14].Pola produksi etilen darihasil pengamatan ada dua data yang mengalamipenyimpangan cukup jauh. Dikarenakan sampelbuah yang diamati adalah sama, maka dicurigaipenyimpangan tersebut berasal dari sampling(udara tekan, kuvet, scrubber)dan aliran gas yangkurang rapat atau terjadinya kebocoran. Dapat jugapenyimpangan data berasal dari alat ukur SFA, yaitumenempelnya debu pada jendela ZnSe sehinggakeluaran laser tidak optimal, atau pengaturan posisi

grating halus yang kurang tepat karena sangat sensitifterhadap getaran. Pada perlakuan normal, buahtomat hijau paska panen membutuhkan waktu 7 hariuntuk matang (Saltveit, 2005)[11]. Pada penelitianini buah tomat membutuhkan waktu 15 hari untukmenjadi merah-matang. Hal ini dikarenakan buahmengalami kedap udara selama perendaman gas SF6,sehingga menghambat laju produksi etilen.

Sementara penyimpangan data pada pola wakturelaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi,diasumsikan berasal dari ralat pengenceran yangdilakukan secara manual. Ralat pengenceran berasaldari pengambilan volume suntikan ke kuvet duakali serta pengisian nitrogen pada kuvet dan samplebag dengan pengukuran laju melalui flowmeter yangkurang stabil.

KESIMPULANDari hasil penelitian dapat disimpulkan sebagaiberikut:

Waktu relaksasi buah tomat mengalami penurunandari 2, 85 ± 0, 07 menit ke 0, 86 ± 0, 01 menitterhadap tingkat kematangan yang ditunjukkan olehpola klimaterik produksi etilen. Koefisien resistansibuah tomat mengalami penurunan dari (5, 95±0, 27)×102 detik cm−1 ke (1, 53 ± 0, 06) × 102detik cm−1

terhadap tingkat kematangan yang ditunjukkan olehpola klimaterik produksi etilen. Koefisien difusi buahtomat mengalami kenaikan dari (1, 73 ± 0, 01) ×10−2 cm2 detik−1 ke (6, 70±0, 03)×10−2 cm2 detik−1

terhadap tingkat kematangan yang ditunjukkan olehpola klimaterik produksi etilen.

Dengan metode spektorkopi fotoakustik laser yangdigandeng dengan sistem gas mengalir dapat dipakaiuntuk memantau besaran difusi gas yang keluarmasuk sampel buah. Hasil yang diperoleh dapatdirekomendasikan kepada pengelola buah tomat pascapanen.

PENULIS1 M.A.J. Wasono

Dari :(1) Departemen Fisika, Fakultas Matematikadan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas GadjahMada

2 Y.A. KholishohDari :(1) Departemen Fisika, Fakultas Matematikadan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas GadjahMada

M.A.J. Wasono and Y.A. Kholishoh Page 5 of 24

Pustaka

1. Amin, M.N., 2012, Kinerja SpektrometerFotoakustik dalam Karakterisasi Scrubber GasC2H4, Tesis, Jurusan Fisika FMIPA UGM,Yogyakarta.

2. Banks, N.H, 1985, Estimating Skin Resistance toGas Diffusion in Apples and Potatoes, Journal ofExperimental Botany, Vol. 36, No. 173, Hal.1842-1850.

3. Cameron, A.C. dan Yang, S.F., 1982, A SimpleMethod for the Determination of Resistance to GasDiffusion in Plant Organs, Plant Physiol, 70, 21-23.

4. Costa, J.M. dan Heuvelink, E., 2005, Introduction:The Tomato Crop and Industry, Heuvelink, E.Tomatoes, CABI Publishing, United Kingdom.

5. Groot, T.T., 2002,Trace Gas Exchange by Rice, Soiland Pears, Ph.D Thesis, University of Nijmegen,The Nedherlands.

6. Harren, F.J.M., 1988, The Photoacoustic Effect,Refined and Applied to Biological Problems, Ph.DDisertation, University of Catholic, Nijmegen,TheNetherlands.

7. Mayasari, M.H., 2010, Penentuan Koefisien DifusiBatang Padi terhadap Pertukaran Gas O2 dan CO2

Menggunakan Metode Spektroskopi FotoakustikLaser CO2 dengan Gas SF6 Sebagai Pelacak,Skripsi, Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.

8. Mitrayana, Muslim dan Wasono, M.A.J., 2002,Spektrometer Fotoakustik Laser IntrakavitasBerkepekaan Tinggi, Prosiding Pertemuan danPresentasi limiah Penelitlan Dasar IImuPengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATANYogyakarta, 27 Juni 2002, 34-38.

9. Pereira, T., Almeida, P.S.G., Azevedo, I.G., Cunha,M., Oliveira, J.G., Silva, M.G. dan Vargas, H., 2009,Gas Diffusion in ‘Golden’ Papaya Fruit at DifferentMaturity Stages, Postharvest Biology andTechnology, 54, 123-130.

10. Rahmawati, R.U., 2006, Penentuan KoefisienResistansi Kulit Buah Apel Terhadap Difusi Gas SF6

Menggunakan Metode Spektroskopi FotoakustikLaser CO2, Skripsi, Jurusan Fisika FMIPA UGM,Yogyakarta.

11. Saltveit, M.E., 2005, Postharvest Biology andHandling, Heuvelink, E. Tomatoes, CABI Publishing,United Kingdom

12. Sugiarto, I.T. dan Wasono, M.A.J., 2010,Penentuan Koefisien Difusi Gas SF6 pada TanahSawah dengan Metode Spektroskopi FotoakustikLaser CO2, Jurnal Ilmu Pengetahuan dan TeknologiTELAAH, 27, 8-14.

13. Syaikhu, A., 2017. Kinerja SpektrometerFotoakustik Laser CO2 Konfigurasi Intrakavitas danAplikasinya pada Deteksi Gas Etilen (C2H4) Tomat

Berlapis Kitosan pada suhu Dingin.Skripsi, JurusanFisika FMIPA UGM, Yogyakarta.

14. Wasono, M.A.J., Muslim dan Tranggono, S., 2002,Penerapan Spektrometer Fotoakustik Laser CO2

Semi Sealed-Off pada Penentuan KoefisienResistensi Buah Tertentu Terhadap Difusi C2H4

Menggunakan Gas SF6 sebagai Pelacak, ProsidingPertemuan dan Presentasi limiah Penelitlan DasarIImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002, 241-248.

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1: Konfigurasi alat deteksi gas difusi SF6

pada buah tomat menggunakan spektrometerfotoakustik laser CO2 konfigurasi intrakavitasdengan sistim gas aliran

Gambar 2: Skema kolektor pada sampel

M.A.J. Wasono and Y.A. Kholishoh Page 6 of 24

Gambar 3: Karakteristik waktu relaksasiterhadap produksi etilen buah tomat

Gambar 4: Karakteristik koefisien resistansiterhadap produksi etilen buah tomat

Gambar 5: Karakteristik koefisien difusiterhadap produksi etilen buah tomat

Gambar 6: Perkembangan warna tomat selama15 hari